Понятие о гидросфере и происхождении воды.
Свойства воды
Круговорот воды на планете
Мировой океан.
Свойства океанической воды
Движение вод океана
Жизнь в океане
Воды суши. Поверхностные воды.
Подземные воды. Мерзлота.
Гидросфера – это водная оболочка Земли, включающая в себя воды Мирового океана, воды суши – подземные и поверхностные (реки, озера, болота, ледники), водяной пар в атмосфере и химически связанную воду (это вода, содержащаяся в горных породах и живых организмах). Вода – самое распространенное вещество на планете, она занимает 71% поверхности Земли. Вода находится повсюду и проникает во все оболочки Земли, поэтому гидросферу на планете можно считать непрерывной.
Мощность (толщина) гидросферы около 70-80 км, т.е. верхняя ее граница проходит в мезосфере (там, где есть серебристые облака), а нижняя соответствует уровню залегания осадочных пород.
Гидросферу изучают многие науки: океанология (наука о Мировом океане), гидрография (изучает воды суши), гидрология (наука о реках), лимнология (изучает озера), гляциология (наука о ледниках), геокриология (наука о мерзлоте), болотоведение и другие.
Происхождение воды
1. Ювинильное (юное) происхождение: вода возникла с образованием планеты, ибо входила в исходное протопланетное вещество. При разогреве недр и диффузии вещества внутри Земли водяной пар выделялся наружу и, охлаждаясь, конденсировался. И сейчас при извержении вулканов каждый год выделяется около 1,3 . 10 8 тонн воды.
2. Космическое происхождение: с ядрами комет и метеорным веществом вода может приноситься на Землю.
3. Атмосферное происхождение («солнечный дождь»): атомы водорода, приносимые солнечным ветром, вступают в реакцию с атомами кислорода в верхних слоях атмосферы, в результате чего образуется вода.
4. При разложении органического вещества может выделяться вода.
5. Антропогенное происхождение: вода может образовываться при горении, окислении и т.п.
Свойства воды
Впервые воду описал в IV в. до н.э. древнегреческий ученый Аристотель. До XVIII в. существовало представление о воде как об индивидуальном химическом элементе. В 1781 г. английский химик Г.Кавендиш синтезировал воду путем соединения водорода с кислородом (пропускал электрический разряд через смесь водорода и кислорода). В 1783 г. французский химик А.Лавуазье повторил опыт Кавендиша и сделал вывод о том, что вода – это сложное соединение, состоящее из кислорода и водорода.
Формула химически чистой воды: Н 2 О (окись водорода). Молекула воды представляет собой равнобедренный треугольник с отрицательно заряженным атомом «О» в вершине и двумя положительно заряженными атомами «Н» в основании.
Кроме обычной воды (Н 2 О), встречается в очень малых количествах тяжелая (Д 2 О) и сверхтяжелая (Т 2 О) вода. (Д – дейтерий, Т – тритий).
Обычная вода в условиях нормального атмосферного давления кипит при температуре +100 о С, замерзает при температуре 0 о С и имеет максимальную плотность при температуре +4 о С. При охлаждении воды ниже +4 о С плотность ее уменьшается, а объем увеличивается, и при замерзании происходит резкое увеличение объема. В отличие от всех веществ в природе вода при переходе из жидкого состояния в твердое приобретает меньшую плотность, поэтому лед легче воды. Эта аномалия воды играет важную роль в природе. Лед держится на поверхности водоемов. Будь лед тяжелее воды, образование его начиналось бы со дна, и водоемы были бы многолетнемерзлыми (за лето не все успевали бы оттаять), а жизнь могла бы погибнуть.
Вода – сильнейший растворитель в природе. Химически чистой воды в природе нет. Даже в самой чистой воде – дождевой – содержатся соли. Различают воду пресную (до 1 о / оо солей), солоноватую (до 25 о / оо) и соленую (больше 25 о / оо). От солености воды зависит температура ее замерзания, поэтому океаническая вода замерзает при температуре ниже 0 о С. Минерализация воды до некоторого предела является благоприятным условием существования жизни. Чистая вода в силу своей огромной растворяющей способности была вредной для живых тканей.
Вода обладает аномально высокой теплоемкостью. Ее теплоемкость в 2 раза больше, чем теплоемкость дерева, в 5 раз – песка и в 3000 раз – воздуха, следовательно, можно сказать, что океан – это аккумулятор тепла. Таким образом, водоемы смягчают климат.
Вода имеет небольшую теплопроводность, из чего следует, что лед предохраняет воду от охлаждения.
Из всех жидкостей (кроме ртути) вода имеет самое большое поверхностное натяжение. Отсюда способность воды подниматься по капиллярам почвы и в растениях.
Вода пребывает одновременно в газообразном, жидком и твердом состоянии на планете. На Земле нет места, где бы не было воды в той или иной форме. Температура, при которой жидкая вода, пар и лед находятся в равновесии, равна +0,01 о С. При переходе воды из одного состояния в другое происходит либо выделение тепла (при конденсации, замерзании), либо поглощение его (при испарении, таянии).
Вода способна к самоочищению, но до известного предела. Испаряется только чистая вода, все примеси остаются на месте. Загрязнение воды промышленными отходами нередко переходит предел самоочищения.
Свойства воды сильно изменяются под влиянием давления и температуры. При давлении в 1 атм. (760 мм) вода замерзает при температуре 0 о С, а в 600 атм. – при температуре –5 о С. При сверхвысоком давлении (больше 20000 атм.) вода переходит в твердое состояние при температуре +76 о С (горячий лед). Такой лед может быть в недрах Земли. При очень низких температурах (меньше –170 о С) и небольшом давлении образуется сверхплотный лед (как твердый камень), такой лед может быть в ядрах комет.
Под действием ультрафиолетовых лучей вода распадается на водород и кислород.
Объем воды на Земле
Мировой океан 95%
Подземные воды 3%
Ледники 1,6%
Озера 0,15%
Реки 0,0001%
Почвенная влага 0,005%
Атмосферная влага 0,001%
На долю пресной воды приходится только около 2,5%, из которых большая часть – это вода в ледниках и глубинных слоях земной коры.
Гидросфера – с латинского – водная оболочка. Впервые понятие гидросферы было введено в научную литературу Э. Зюссом в 1875 году, который понимал под ней единую водную оболочку планеты, в основном состоящую из вод Мирового океана. В 1910 году более широкая трактовка представлена Дж. Мерреем, он включил в гидросферу воды рек и озер, атмосферы, криосферы и биосферы. Столь широкое толкование гидросферы не было безусловно принято исследователями. Различия между последующими определениями гидросферы касались, в основном, ее непрерывности, нижней и верхней границ ее распространения, возможности отнесения к ней химически и биологически связанных вод.
Наиболее физически обоснованным является определение И. А. Федосеева: в широком смысле гидросфера – сплошная оболочка земного шара, простирающаяся вниз до верхней мантии, где в условиях высоких температур и давления наряду с разложением молекул воды непрерывно проходит их синтез, а вверх – примерно до высоты тропопаузы, выше которой молекулы воды подвергаются фотодиссипации (разложению).
Можно привести более узкое определение, гидросфера – сплошная оболочка Земли, содержащая воду во всех трех агрегатных состояниях в пределах Мирового океана, криосферы, литосферы и атмосферы, принимающую непосредственное участие в планетарном круговороте влаги (гидрологическом цикле).
В общем смысле гидрологический цикл представляет собой непрерывный процесс циркуляции и перераспределения всех видов природных вод между отдельными частями гидросферы. Гидрологический цикл обеспечивает взаимосвязь и единство гидросферы.
Гидросфера и гидрологический цикл – единая саморегулирующаяся система, состоящая из четырех резервуаров: океан, криосфера (оболочка Земли, содержащая воду в твердой фазе), литосфера (поверхностные и подземные воды суши) и атмосфера.
Все четыре резервуара гидросферы (океан, материки, криосфера и атмосфера) взаимосвязаны посредством непрерывного процесса циркуляции и перераспределения природных вод. Не смотря на замкнутость системы, в ней постоянно происходит перераспределение вод между резервуарами, приводящее к изменению запасов вод в каждом отдельном резервуаре во времени.
Мировой океан занимает 71 % поверхности Земли, суша – 29 %. Воды Мирового океана образуют непрерывное водное пространство, со всех сторон окружающее разобщенные им материки. Неравномерность распределения воды и суши влияет на многие планетарные процессы, влечет за собой асимметричность в распределении компонентов географической оболочки и, следовательно, и биосферы.
В 1928 году Международное гидрографическое бюро приняло деление Мирового океана по ряду признаков на четыре океана: Атлантический, Индийский, Тихий и Северный Ледовитый. Второй Международный океанографический конгресс счел возможным выделить пятый океан – Южный.
Самую значительную площадь, составляющую почти половину всей площади Мировой океан и превышающую площадь всех материков и островов, имеет Тихий океан. Он же является и самым глубоким океаном.
Самым малым является Северный Ледовитый океан, площадь которого в 12 раз меньше площади Тихого океана. Северный Ледовитый океан – единственный океан, находящийся полностью в полярной области, и имеющий в связи с этим специфический гидрологический режим.
Доля небольших глубин (до 500 метров) составляет только 9,6 % всей акватории Мирового океана, причем на долю шельфа (глубины до 150-200 метров) приходится менее 7 % . На 73,8 % площади Мирового океана преобладают глубины 3000-6000 метров.
В каждом океане можно выделить моря – достаточно большие районы океана, ограниченные берегами материков, островами, повышениями дна и обладающие собственным гидрологическим режимом. Площадь морей составляет 10 % площади Мирового океана, а объем воды в них – около 3 % объема Мирового океана. По своему расположению и физико-географическим условиям моря делятся на три основные группы: внутренние, окраинные и межоcтровные.
Гидросфера - это водная оболочка Земли между атмосферой и земной корой, представленная совокупностью океанов, морей и континентальных водных масс. Гидросфера покрывает 70,8% земной поверхности. Объем гидросферы - 1370300000. Км 3, что составляет 1/800 общего объема планеты. Масса гидросферы - 1,4 ∙ 10 +18 т, из которых 98,31% приходится на океаны, моря и подземные воды, 1,65% - в материковых льдах приполярных областей и только 0,045% - в пресных водах рек, болот и озер. Незначительная доля воды находится в атмосфере и живых организмах. Химический состав гидросферы приближается к среднему составу морской воды. Гидросфера находится в непрерывной взаемодии3 атмосферой, земной корой и биосферой.
Мировой круговорот воды
Круговорот воды - это процесс обращения воды в географической оболочке, который объединяет воды в единую взаимосвязанную систему и является важнейшей составляющей обмена вещества в природе. Основными факторами, которые обусловливают этот процесс, является солнечная радиация и сила тяжести. Главными составляющими круговорота является испарение воды, перенос водяного пара на расстояние, конденсация (сгущение) водяного пара, выпадение осадков, инфильтрация (просачивание) воды в почву и сток.
Суть кругооборота заключается в том, что под воздействием солнечной радиации с поверхности Земли (океанов, суши) вода испаряется и в виде водяного пара попадает в воздух. Воздушные течения переносят ее на большие расстояния. В воздухе водяной пар конденсируется и переходит в капельножидком воду, которая возвращается в виде осадков назад, на поверхность Земли.
В зависимости от особенностей и масштабов большой, или общий, и малый круговороты.
Малый круговорот - это круговорот над отдельными океанами, материками или их частями. Над океанами он происходит по схеме: океан - атмосфера - океан. Вода из океана в виде водяного пара поступает в атмосферу, там конденсируется и выпадает на поверхность океана
Малым также и местный, или внутриматериковых, влагооборот, который происходит только в пределах суши. Схема его движения: суша - воздух - суша. Вода испаряется с суши (из разных водных объектов, почв, растительности и т.д.), попадает в воздух, конденсируется и снова в виде осадков возвращается на сушу.
Еще недавно считали, что в результате местного влагооборота (неоднократного обращения воды, которая поступает из океанов на материки с воздухом) намного увеличивается количество опалов. Отсюда возникла идея усилить местный влагооборот, чтобы увеличить количество осадков в засушливых районах. Эта идея актуальна до сих пор. Но в последнее время доказано, что от местного влагооборота количество опалов увеличивается не намного. Водяной пар, который попадает в воздух с поверхности суши, воздушные течения быстро за черту материков. Осадки в результате местного влагооборота не превышают 1/3 всех осадков. Однако и они имеют большое значение для формирования ландшафтов.
Большой круговорот - процесс сложный. Он включает сушу и океаны и происходит по схеме: океаны - атмосфера - суша - океаны. Здесь круг замыкается переходом через сушу, на которой вода, прежде чем вернуться в океан, проходит ряд сложных этапов. Часть той воды, которая выпадает на поверхность суши, стекает в виде поверхностного стока (через реки), часть - просачивается в землю, где образует подземный сток и питает растительность. Часть воды, испаряясь с суши (с почв, водных бассейнов), попадает в воздух. Много воды возвращается с материков в атмосферу через транспирацию (испарение) растениями (на каждый грамм созданной растением сухого вещества транспируеться от 200 до 400 г воды) и др.
Так рано или поздно, тем или иным путем вода, которая выходит из океана и выпадает над сушей, вновь возвращается в океан и замыкает круговорот.
Круговорот воды в природе имеет большое значение. Энергия вод, попавших на сушу в процессе круговорота, проявляется в формировании рельефа, размывании берегов и др. Круговорот воды является мощным проводником с моря на сушу. Он как составляющая обмена веществ приводит органическая жизнь на Земле. Благодаря круговороту воды на Земле есть вода на суше.
Гидросфера земли - это водная оболочка Земли.
Введение
Земля окружена атмосферой и гидросферой, которые заметно отличаются, но при этом дополняют друг от друга.
Гидросфера возникла на ранних этапах формировании Земли, как и атмосфера, повлияв на все процессы жизнедеятельности, функционирования экологических систем, определив возникновение многих видов животных.
Что такое гидросфера
Гидросфера в переводе с греческого языка означает водный шар или водная оболочка земной поверхности. Данная оболочка имеет непрерывный характер.
Где находится гидросфера
Располагается гидросфера между двумя атмосферой – газовой оболочкой планеты Земля, и литосферой – твердой оболочкой, под которой подразумевают сушу.
Из чего состоит гидросфера
Гидросфера состоит из воды, которая по химическому составу отличается и представлена в трех различных состояниях – твердой (лед), жидкой, газообразной (пары).
В состав водной оболочки Земли входят океаны, моря, водоемы, которые могут быть солеными или пресными (озера, пруды, реки), ледники, фьорды, ледяные шапки, снег, дождь, атмосферная вода, и жидкость, протекающая в живых организмах.
Доля морей и океанов в гидросфере равна 96%, еще 2% – это подземные воды, 2% приходятся на долю ледников, а 0,02 процента (очень незначительная доля) – это реки, болота и озера. Масса или объем гидросферы постоянно меняется, что связанно с таянием ледников и уходом значительных участков суши под воды.
Объем водной оболочки равен 1,5 миллиардам километрам кубических. Масса будет постоянно увеличиваться, учитывая количество вулканических извержений и землетрясений. Большую часть гидросферы составляют океаны, образующие Мировой океан. Это самый большой и соленый водоем на Земле, в котором процент солености достигает 35%.
По химическому составу воды океанов содержат все известные элементы, которые расположены в таблице Менделеева. Суммарная часть натрия, хлора, кислорода и водорода достигает почти 96%. В состав коры океана входят базальтовый и осадочный слои.
К гидросфере относятся и подземные воды, которые также отличаются по химическому составу. Иногда солевая концентрация достигает 600%, и в них присутствуют газы и производные компоненты. Самыми важными из них являются кислород и углекислый газ, который потребляют растения в океане во время процесса фотосинтеза. Он необходим для формирования известняковых пород, кораллов, ракушек.
Огромное значение для гидросферы имеют пресные воды, часть которых в общем объеме оболочки равно почти 3%, из которых 2,15% – хранятся в ледниках. Все составляющие гидросферы связаны между собой, находясь в больших или маленьких оборотах, что позволяет воде проходить процесс полного обновления.
Границы гидросферы
Воды Мирового океана охватывают территорию в 71% Земли, где средняя глубина составляет 3800 метров, а максимальная – 11022 метра. На поверхности суши расположены так называемые континентальные воды, которые обеспечивают всю жизнедеятельность биосферы, водоснабжения, обводнения и орошения.
Гидросфера имеет нижнюю и верхнюю границы. Нижняя проходит по так называемой поверхности Мохоровичича – земной коры на дне океана. Верхняя граница располагается в самых верхних слоях атмосферы.
Функции гидросферы
Вода на Земле имеет важное значение для людей и природы. Проявляется это в следующих признаках:
- Во-первых, вода является важным источником минералов и сырья, поскольку люди используют воду чаще, чем уголь и нефть;
- Во-вторых, обеспечивает взаимосвязи между экологическими системами;
- В-третьих, выступает механизмом, который переносит биоэнергетические экологические циклы, имеющие глобальное значение;
- В-четвертых, входит в состав всех живых существ, которые живут на Земле.
Вода становится для многих организмов средой зарождения, а потом дальнейшего развития и формирования. Без воды невозможно развитие суши, ландшафтов, карстовых и склоновых пород. Кроме того, гидросфера способствует транспортировке химических веществ.
- Водный пар исполняет роль фильтра, против проникновения на Землю радиационных лучей с Солнца;
- Водный пар на суше помогает регулировать температурный режим и климат;
- Поддерживается постоянная динамика движения вод океана;
- Обеспечивается стабильный и нормальный кругооборот на всей планете.
- Каждая часть гидросферы участвует в процессах, которые протекают в геосфере Земли, к которым относятся вода в атмосфере, на суше и под землей. В самой атмосфере, в виде пара находится больше 12 триллионов тонн воды. Пар восстанавливается и обновляется, благодаря конденсации и сублимации, переходя в облака, туман. При этом происходит выделение значительного количества энергии.
- Воды, располагающиеся под землей и на суше, делятся на минеральные и термальные, что используется в бальнеологии. Кроме того, эти свойства действуют рекреационно как на человека, так и на природу.
Гидросфера – с латинского – водная оболочка. Впервые понятие гидросферы было введено в научную литературу Э. Зюссом в 1875 году, который понимал под ней единую водную оболочку планеты, в основном состоящую из вод Мирового океана. В 1910 г более широкая трактовка представлена Дж. Мерреем, он включил в гидросферу воды рек и озер, атмосферы, криосферы и биосферы. Столь широкое толкование гидросферы не было безусловно принято исследователями. Различия между последующими определениями гидросферы касались, в основном, ее непрерывности, нижней и верхней границ ее распространения, возможности отнесения к ней химически и биологически связанных вод.
Наиболее физически обоснованным является определение И.А. Федосеева: в широком смысле гидросфера – сплошная оболочка земного шара, простирающаяся вниз до верхней мантии, где в условиях высоких температур и давления наряду с разложением молекул воды непрерывно проходит их синтез, а вверх – примерно до высоты тропопаузы, выше которой молекулы воды подвергаются фотодиссипации (разложению). Можно привести более узкое определение: гидросфера – сплошная оболочка Земли, содержащая воду во всех трех агрегатных состояниях в пределах Мирового океана, криосферы, литосферы и атмосферы, принимающую непосредственное участие в планетарном круговороте влаги (гидрологическом цикле (ГЦ)).
В общем смысле ГЦ представляет собой непрерывный процесс циркуляции и перераспределения всех видов природных вод между отдельными частями гидросферы, устанавливающий определенные соотношения между ними при различных масштабах осреднения. ГЦ обеспечивает взаимосвязь и единство гидросферы.
Гидросфера и ГЦ – единая саморегулирующаяся система, состоящая из четырех резервуаров: океан, криосфера (оболочка Земли, содержащая воду в твердой фазе), литосфера (поверхностные и подземные воды суши) и атмосфера.
Свыше 96% гидросферы составляют моря и океаны; около 2% - подземные воды, около 2% - ледники, 0,02% - воды суши (реки, озера, болота). Общий объем гидросферы Земли - свыше 1 миллиарда 500 миллионов км 3 . Из них в океанах и морях - 1370 миллионов км 3 , в подземных водах - около 60 миллионов км 3 в виде льда и снега - около 30 миллионов км 3 , во внутренних водах - 0,75 миллиона км 3 , а в атмосфере - 0,015 миллиона км 3 .
Объем гидросферы постоянно меняется. По расчетам ученых, 4 миллиарда лет назад ее объем составлял всего 20 миллионов км 3 , то есть был почти в 7 тысяч раз меньше современного. В будущем количество воды на Земле, по-видимому, также будет возрастать, если учесть, что объем воды в мантии Земли оценивается в 20 миллиардов км 3 - это в 15 раз больше современного объема гидросферы. Полагают, что поступление воды в гидросферу будет осуществляться из глубинных слоев Земли и при вулканических извержениях.
По данным, учитывающим только разведанные запасы подземной воды, на пресную воду на всей планете приходится только 2,8%; из них 2,15% находится в ледниках и только 0,65% в реках, озерах, подземных водах. Главная масса воды (97,2%) - соленая. Гидросфера - единая оболочка, так как все воды взаимосвязаны и находятся в постоянных больших или малых круговоротах. Полное обновление вод происходит по-разному. Воды в полярных ледниках возобновляются за 8 тысяч лет, подземные воды - за 5 тысяч лет, озера - за 300 дней, реки - за 12 дней, водяной пар в атмосфере - за 9 дней, а воды Мирового океана - за 3 тысячи лет.
Гидросфера играет очень большую роль в жизни планеты: она накапливает солнечное тепло и перераспределяет его на Земле; с Мирового океана на сушу поступают атмосферные осадки.
За геологическую историю в гидросфере происходили значительные изменения, однако известно о них мало. Подсчитано, что в ледниковые периоды резко возрастало количество льда, и за счет этого происходило уменьшение объема и понижение уровня Мирового океана на десятки метров. В настоящее время гидросфера охвачена невиданными по скорости и размерам преобразованиями, связанными с технической деятельностью человека. Ежегодно используется около 5 тысяч км 3 воды, а загрязняется в 10 раз больше. Некоторые страны начали испытывать нехватку пресной воды. Это не означает, что ее на Земле мало: просто человек еще не научился ее рационально использовать.
Гидросфера взаимодействует с литосферой. Об этом свидетельствуют эрозионные и аккумулятивные процессы, связанные с работой воды. Взаимодействует гидросфера и с атмосферой: облака состоят из паров воды, испарившихся с поверхности морей и океанов. Гидросфера также взаимодействует и с биосферой, так как живые существа, населяющие биосферу, не могут жить без воды. Взаимодействуя с различными оболочками планеты, гидросфера выступает, в свою очередь, как часть целостной природы земной поверхности.
Общие запасы воды на Земле в течение периода времени, измеряемого геологическими эпохами, практически не изменяются, так как поступление воды из земных недр и космического пространства на поверхность Земли очень мало и практически компенсируется безвозвратной потерей воды вследствие фотодиссипации водяного пара в верхних слоях атмосферы. Следовательно, гидросфера – квазизамкнутая система.
Еще в 1914 г. Дж. Грегори в своей работе «Образование Земли» писал, что фундаментальная разница между Северным и Южным полушариями есть наиболее бросающаяся в глаза «черта в плане Земли». И действительно, прежде всего сама фигура Земли асимметрична, причем северная полуось на 70-100 м длиннее южной, поэтому полярное сжатие Северного полушария меньше, чем Южного. Асимметричность Северного и Южного полушарий заключается в том, что суша в Северном полушарии составляет 39 % , а в Южном - 19 %. Неравномерность распределения воды и суши влияет на многие планетарные процессы, влечет за собой асимметричность в распределении компонентов географической оболочки и, следовательно, и биосферы.
Дж. Грегори заметил, что в 19 из 20 случаев напротив суши на противоположной стороне Земли – вода. Воды много! Наша планета, голубая из космоса (из-за воды), должна было бы быть названа планета Вода. Однако, при средней глубине МО 3704 м и диаметре Земли 12 756 км ее слой составляет всего 0,03 % от диаметра Земли.